[네트워크] Network | Internet Protocol stack, Network Security, Encapsulation, Client - Server Paradigm, Peer-to-Peer Paradigm

 

다음 그림에 있음 직한 어떤 구조를 찾아야 한다. 그림을 보면 각 종단에 티켓팅 기능이 있음을 알 수 있다. 이미  티켓을 가진 승객을 위한 수하물 기능도 있고, 짐을 검사한 승객을 위한 탑승구 기능도 있다.각 기능들이 수평 방식으로 어떤 역할을 수행하고 있는 것을 볼 수 있다.

 

 

계층 구조는 크고 복잡한 시스템의 잘 정의된 특정 부분을 논의할 수 있게 해준다. 이러한 단순화는 매우 중요하다. 시스테이 계층 구조를 가질 때, 그 계층이 제공하는 서비스의 구현을 변경하는 것도 매우 쉽다. 그리고 어떤 한 계층의 구현이 변하더라도 시스템의 나머지 부분은 변하지 않는다. 계속해서 갱신되는 복잡하고 커다란 시스템에 대해, 시스템의 다른 요소에 영향을 주지 않고 서비스 구현을 변화시키는 능력은 계층화의 또 다른 중요한 이점이 된다.

 

네트워크 설계자는 프로토콜을 계층 (Layer)으로 조직한다.  그림에서 각각의 기능이 한 계층에 속하는 것처럼 각 프로토콜은 한 계층에 속한다. 우리는 한 계층이 상위 계층에 제공하는 서비스에 관심을 갖고 이것을 계층의 서비스 모델 (Service Model)이라고 한다.

 

 

프로토콜 계층화는 개념과 구조 측면에서 이점이 있다. 모듈화는 시스템 구성요소의 갱신을 더 쉽게 해준다. 그러나  계층화의 잠재된 결점은 한 계층의 기능이 하위 계층과 기능적으로 중복된다는 것이다. 예를 들면 많은 프로토콜 스택이 링크와 종단 시스템 두 곳 모두에서  오류 복구  기능을 제공한다느 것이다.

 

 

애플리케이션 계층 (Application layer)

 

HTTP, SMTP, FTP 같은 많은 프로토콜을 포함한다. 사람에게 친숙한 web address를 32 비트 네트워크 주소로 변환하는 네트워크 기능을 볼 것이다. 이것은 애플리케이션 계층에서 DNS 가 돕는다. 애플리케이션 계층 프로토콜은 여러 종단 시스템에 분산되어 있어서, 한 종단 시스템에 있는 애플릴케이션이 다른 종단 시스템에 있는 애플리케이션과 정보 패킷을 교환하는 데 이 프로토콜을 사용한다. 이 정보 패킷을 메시지 (Message) 라고 부른다.

 

트랜스포트 계층 (Transport Layer)

 

클라이언트와 서버 간에 애플리케이션 계층 메시지를 전송하는 서비스를 제공한다. TCP, UDP라는 Transport 프로토콜이 있으며 이들은 애플리케이션 계층 메시지를 전달한다. TCP는 연결지향형 서비스를ㄹ 제공하고 메시지 전달 보장과 흐름제어를 포함한다. 또한 TCP는 긴 메시지를 짧은 메시지로 나누고, 네트워크가 혼잡할 때 출발지의 전송속도를 줄이도록 한다. UDP는 비연겨려형 서비스를 제공한다. Transport Layer를 세그먼트 (Segment)라고 한다.

 

네트워크 계층 (Network Layer)

 

한 호스트에서 다른 호스트로 데이터그램(Datagram)을 라우팅하는 책임을 진다. 출발지 호스트에서 인터넷 트랜스포트 layer (TCP, UDP)는 Transport 게층 Segment와 목적지 주소를 네트워크 계층으로 전달한다. 그 다음 네트워크 계층은 목적지 호스트이 트랜스포트 계층으로 세그먼트를 운반하는 서비스를 제공한다. IP 프로토콜을 가지고 있다. 이것을 수행해야만 출발지와 목적지 사이에서 데이터그램이 이동하는 경로를 결정하는 라우팅 프로토콜을 포함한다.

 

링크 계층 (Link Layer)

 

네트워크 계층은 출발지와 목적지 간 일련의 패킷 스위치를 통해 데이터그램을 라우트 한다. 경로상의 한 노드에서 다른 노드로 패킷을 이동하기 위해, 네트워크 계층은 링크 계층 서비스에 의존해야 한다. 특히,  각 노드에서 네트워크 계층은 데이터그램을 아래 링크 계층으로 보내고, 링크 계층은 그 데이터 그램(Datagram) 을 경로상의 다음 노드에 전달한다.

링크 계층 패킷을 프레임(Frame)이라고 부른다.

 

물리 계층 (Physical Layer)

 

링크 계층의 기능이 전체 프레임을 한 네트워크 요소에서 이웃 네트워크 요소로  이동하는 것이라면, 물리 계층 (Physical Layer)의 기능은 프레임 내부의 각 비트를 한 노드에서 다음 노드로 이동하는 것이다.

 

 

 

1970년대 후반에 ISO는 컴퓨터 네트워크가 7계층으로 구성되어야 한다는 제안을 했다. 이를 OSI (Open System Interconnection) 라고 부른다.

 

 

 

종단 시스템과 비스하게 라우터와 링크 계층 스위치는 네트워킹 하드웨어와 소프트웨어를 계층으로 구성한다. 일반적으로 이들은 하위 계층을 구현한다. 그림처럼 스위치는  1과 2 계층을 구현하고 라우터는 1~3 계층을 구현한다. 호스트는 다섯 계층 모두를 구현한다는 점에 주목하자. 이것은 인터넷 구조가 네트워크의 '가장자리'에서 그 복잡성을 유지한다는 관점과 일치한다. 

 

송신 호스트에서 애플리케이션 계층 메시지 (M) 는 트랜스포트 계층 (Transport Layer)으로 보낸다. 트랜스포트 계층은 메시지를 수신하는 측의 트랜스포트 계층에서 사용될 추가 정보 (Transport Layer Header)라고  부른다. 애플리케이션 계층 메시지와 트랜스포트 계층 헤더 정보는 모두 트랜스포트 계층 Segment를 구성한다. 트랜스포트 계층 세그먼트는 애플리케이션 계층 메시지를 캡슐화 한다.

 

 트랜스포트 계층은 세그먼트를 네트워크 계층으로 보내며 네트워크 계층은 출발지와 목적지 종단 시스템 주소와 동일한 헤더 정보 (Hn) 를 추가하여 네트워크 계층 데이터그럼 (Datagram)을 만든다. 이 데이터그램은 링크 계층으로 전달되고 링크 계층도 자신의 헤더  정보를 추가하고 링크 계층 프레임을 만든다.

 

여기로부터 우리는 각 계층에서 패킷은 헤더 필드와 페이로드 필드 (Payload Field)라는 두 가지 형태의 필드를 갖는다는 것을 알 수 있다. 페이로드는 일반적으로 그 계층 상위로부터의 패킷이다.

 

 

컴퓨터 보안 분야는 나쁜 친구들이 어떻게 컴퓨터 네트워크를 공격할 수 있는 가와 곧 컴퓨터 네트워킹 전문가가 될 우리가 어떻게 그러한 공격으로부터 네트워크를 방어할 수 있는 가, 더 나아가 그런 공격에 영향을 받지 않는 새로운 구조를 설계하는 것에 관한 것이다.

 

 

인터넷에서 데이터를 송/수신 하기를 원하여 장치를 인터넷에 연결한다. 그러나 불행하게도 이러한 좋은 것과 함께 해로운 것도 전달되는 데 이들을 Malware라고 부른다. 이들은 장치에 들어가면 여러 가지 사악한 일을 할 수 있다. 사적인 정보를 모으는 스파이웨어를 설치하여 이들 정보를 모아 나쁜 친구들에게 다시 보낸다.

 

바이러스가 사용자의 장치에 영향을 주기 위해서는 사용자의 상호 작용이 필요한 Malware이다. 전형적으로 전자 메일 바이러스가 자기 복제를 통해 맬웨어를 수행한다. 웜 (Worm) 은 사용자의 직접적인 상호작용 없이 장치에 침투하는 맬웨어이다.

 

보안 위협의 또 다른 부류는 DoS 공격으로 알려져 있다. 이름이 제시하는 것처럼 DoS 공격은 네트워크, 호스트 등 다른 요소들을 정상적인 사용자들이 사용할 수 없게 하는 것이다. 

 

무선 전송장치의 근처에 수동적이 ㄴ수신자를 위치시킴으로써 그 수신자는 전송되고 있는 모든 패킷의 사본을 얻을 수 있다. 지나가는 모든 패킷의 사본을 기록하는 수동적인 수신자를 패키 스니퍼 (Packet Sniffer) 라고 한다. 

 

거짓의 출발지 주소를 가진 패킷을 인터넷으로 보내는 능력을 IP 스푸닝이라고 하며, 한 사용자가 다른 사용자인 것처럼 행동하는 여러가지 방법 중의 하나이다.

 

 

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네트워크 애플리케이션 개발의 중심은 다른 종단 시스템에서 동작하고 네트워크를 통해 서로 통신하는 프로그램을 작성하는 것이다. 예를 들어 웹 애플리케이션에는 서로 통신하는 Server와 Client 로 구별되는 두 프로그램이 있다. 따라서 우리가 새로운 애플리케이션을 개발할 때는 여러 종단 시스템에서 실행되는 소프트웨어를 작성할 필요가 있다. 중요한 것은 우리가 라우터나 링크 계층 스위치와 같이 네트워크 코어 장비에서 실행되는 소프트웨어를 작성할 필요가 없다는 점이다. 이처럼 종단 시스테메에만 애플리케이션 소프트웨어가 존재한다는 기본 설계는 인터넷 애플리케이션의 광대하고 빠른 발전의 원동력이 되었다. 

 

애플리케이션 구조는 애플리케이션 개발자에 의해 설계되고 애플리케이션이 다양한 종단 시스템에서 어떻게 조직되어야 하는지를 지사한다.

 

 

클라이언트/서버 구조에서 항상 켜져 있는 호스트를 서버 (Server)라고 부르는데 이 서비스를 클라이언트 (Client) 라는 다른 많은 호스트의 요청을 받는다. 클라이언트 호스트는 가끔 혹은 항상 켜져 있을 수 있다. 그 예로 클라이언트 호스트에서 실행되는 브라우저가 항상 켜진 웹 서버로 서비스를 요청하는 웹 애플리케이션이다.

 

클라이언트 / 서버 구조에서 클라이언트는 서로 직접적으로 통신하지 않는다는 것이다. 예를 들어 웹 애플리케이션에서는 2개의 브라우저가 직접적으로 통신하지 않는다. Client / Server 구조의 다른 특징은 서버가 고정 IP 주소라는 잘 알려진 주소를 갖는다는 것이다. Server는 항상 동작하므로 Client는 서버 주소로 패킷을 보내서 항상 서버에 연결할 수 있다.

 

P2P 구조에서는 항상 켜져 있는 기반구조 서버에 최소로 의존한다. (전혀 의존하지 않을 수도 있다) 대신에 애플리케이션은 피어(Peer) 라는 간헐적으로 연결된 호스트 쌍이 서로 직접 통신하도록 한다. 피어 (Peer)는 서비스 제공자가 소유하지 않고, 사용자들이 제어하는 데스트톱과  랩톱이 소유한다. 대부분의 피어(Peer)들은 가정, 대학, 사무실에 존재한다. 특정 서버를 통하지 않고 피어(Peer)가 통신하므로 이 구조를 P2P라고 한다. 대표적인 예로 Torrent가 있다.

 

또한 주목할 만한 특성 중의 하나가 자가 확장성 (Self scalability)이다. 예를 들어 P2P 파일 공유 애플리케이션에서 비록 각 피어들이 파일을 요구함으로써 작업 부하를 만들어내지만 각 피어들은 또한 파일을 다른 피어들에게 분배함으로써 그 시스템에 서비스 능력을 추가한다. 교수님께서 Torrent를 사용하는 피어들이 많을 수록 데이터 전송 속도가 빠르다고 예시를 해주셨던 것으로 기억난다. 

 

 

애플리케이션을 개발하기 전에 여러 종단 시스템에서 실행하는 프로그램이 서로 통신하는 방법을 이해해야 한다. OS 용어에서 실제 통신하는 것은 프로그램이 아니라 프로세스(Process)이다. 프로세스는 종단 시스템에서 실행되는 프로그램이다. 2개의 다른 종단 시스템에서 프로세스는 컴퓨터 네트워크를 통한 메시지 (Message) 교환으로 서로 통신한다. 송신 프로세스는 메시지를 만들어서 네트워크로 보낸다. 수신 프로세스는 메시지를 받고 역으로 메시지를 보냄으로써 응답한다.

 

Client and Server Process

 

P2P 파일 공유 시스템에서는 한 피어의 프로세스에서 다른 피어의 프로세스로 파일을 전송한다. 통신하는 프로세스 각 쌍에 대해 일반적으로 Client의 프로세스와 Server의 프로세스 중 하나로 이름 짓는다. P2P 파일 공유와 같은 애플리케이션에서 프로세스 (Process) 가 클라이언트와 서버 둘 다 가능함을 알 수 있다. 이는 프로세스가 파일을 올리고 또한 내려 받을 수 있다는 것이다. 

 

 

 

대부분의 애플리케이션은 두 프로세스가 메시지를 서로에게 보내는 통신 프로세스 쌍을로 구성된다. 하나의 프로세스로부터 다른 프로세스로 보내는 메시지는 네트워크를 통해 움직인다. 프로세스는 소켓 (Socket) 을 통해 네트워크로 메시지를 보내고 받는다. 위의 그림에서 하위 전송 프로토콜이 인터넷의 TCP 프로토콜이라고 가정한다. 소켓은 호스트의 애플리케이션 계층과 트랜스포트 계층 간의 인터페이스다.  또한 소켓은 네트워크 애플리케이션이 인터넷에 만든 프로그래밍 인터페이스이므로 애플리케이션과 네트워크 사이의 API라고도 한다.

 

애플리케이션 개발자는 소켓 (Socket)의 애플리케이션 계층에 대한 모든 통제권을 갖지만 소켓의 트랜스포트 계층에 대한 통제권은 거의 갖지 못한다.